Diffraction

[balfly]

Bonsoir

Merci jaric et Seba de vos réponses  .
Je ne vais pas répondre à tout ce soir, je n'ai pas le temps et il me faut réfléchir aux points soulevés.
Je vais juste répondre rapidement.

jaric :
"Il doit être 'facile' de faire une découpe industrielle de ces lames de façon à rendre la tranche plate (i.e. bien perpendiculaire au plan du diaphragme), auquel cas la diffraction latérale (ton cas 2) devrait être grandement minimisé, voire supprimé."
A l'échelle qui nous intéresse (micromètres) il y a toujours un arrondi pour la transition d'une surface plane à l'autre.
De plus il ne faut pas croire qu'une tranche parfaitement plane et perpendiculaire au plan du diaphragme ne donnerait pas de diffraction : la lumière déviée par la diffraction de la face d'entrée attaque obliquement cette tranche.
J'ai pris le cas d'une tranche à section hemicirculaire à titre d'exemple et parce que cela me semblait le plus simple à comprendre avec le minimum d'explications.

jaric :
"Je ne suis pas convaincu d'ailleurs que ce phénomène relève de la diffraction".
La diffraction est beaucoup plus que le simple effet d'un diaphragme qui limite un faisceau. Lorsqu'un objet renvoie de la lumière qu'il a reçue il est classique de le traiter avec les outils de la diffraction. La théorie de la formation des images s'étudie classiquement par les lois de la diffraction, par exemple une lentille est considérée comme un objet diffractant par déphasage (et cela indépendamment de son rôle de diaphragme). Cela peut sembler jouer sur les mots, mais il est essentiel de savoir si on peut ou non utiliser les puissants outils de la diffraction.

Seba :
Les figures sont superbes.
Il serait intéressant de montrer l'orientation de l'hexagone par rapport à ces figures, cela permettrait (me semble-t-il) de savoir si les branches d'étoile sont produites par les côtés ou les sommets (point que j'ai soulevé dans mon dernier post).
Pour moi ces figures montrent seulement qu'un diaphragme plan donne des branches d'étoile, ce dont personne ne doute (j'en ai d'ailleurs parlé tout à la fin de mon dernier post). Le problème est quantitatif, il faudrait une comparaison avec un effet de diffraction par juxtaposition de tranche et je pense qu'à f/22 l'effet de tranche est nettement prépondérant. Pour cela je pense qu'on ne peut pas se contenter d'images calculées.
Je vais réfléchir à une expérience avec mon objectif macro et éventuellement avec d'autres objectifs.
Mais je rappelle (cf. mon dernier post) que j'ai fait une photo avec branches d'étoile qui a à peu près la même extension latérale que sur la figure de droite (estimation à partir du nombre de franges) mais, et cela change tout, sans saturation au centre ni post traitement, donc comme sur la figure de gauche où les branches sont invisibles.

Cordialement

[seba]

Il serait intéressant de montrer l'orientation de l'hexagone par rapport à ces figures, cela permettrait (me semble-t-il) de savoir si les branches d'étoile sont produites par les côtés ou les sommets (point que j'ai soulevé dans mon dernier post).

A mons avis les branches des étoiles sont orientées selon les coins de l'hexagone, car sur la premirèe figure on voit que la tache de diffraction est hexagonale avec des coins orientés différemment, ces coins devant être orientés selon la plus petite section du diaphragme (donc les côtés du diaphragme hexagonal).
Mais ce point serait facile à vérifier en prenant simplement une photo et en notant l'orientation du diaphragme.

[balfly]

Bonsoir Seba

Pour moi il serait  surprenant (illogique) que l'orientation des branches change lorsque l'on sature la luminosité du centre sans rien modifier d'autre entre les 2 figures de gauche.
Quant à faire l'expérience : mes 2 objectifs actuels ont 7 lamelles (diaphragme heptagonal).
Ceci dit j'ai la possibilité d'adapter un de mes anciens objectifs qui a 6 lamelles droites.
Mais si je trouve que c'est les angles je dirai que c'est dû à la zone de superposition des lamelles, ce qui n'a rien à voir avec la figure que vous avez donnée hier.

Un autre point : sur la figure de droite l'auteur des calculs dit qu'il s'agit de cotés légèrement incurvés et on voit effectivement que les branches s'étalent latéralement sensiblement plus que dans le cas des bords droits ce qui réduit leur portée. J'en déduis que si les lames sont très incurvées on va pratiquement retrouver le cas du diaphragme circulaire, sans branches et de portée assez faible. Les diaphragmes actuels sont souvent à lames très incurvées et pourtant ils donnent des branches d'étoiles très visibles. Pour moi c'est un effet de jonction des lames.
Pas facile de faire des expériences qui puissent forcer la décision.
J'ai fait quelques essais en plaçant devant l'objectif ouvert divers diaphragmes bricolés, mais je me suis aperçu que c'est très délicat car leur taille doit être de quelques mm et la moindre imperfection a des effets énormes. Peut-être me viendra-t-il une idée.

A demain, peut-être ?

[seba]

A gauche on voit une tache de diffraction hexagonale (très petite) et elle doit être tournée de 30° par rapport à l'hexagone du diaphragme.
Les angles de la tache correspondent aux côtés du diaphragme et les côtés de la tache correspondent aux angles du diaphragme.
Au milieu les "branches" (beaucoup plus grandes) correspondent aux angles du diaphragme, enfin c'est ce que j'essaierai de vérifier ce week-end (je dois bien avoir un objectif avec un diaphragme hexagonal).
Ce sont des figures calculés, à mon avis pour cette simulation il n'est tenu aucun compte d'une épaisseur ou d'une superposition de lamelles.

[seba]

Là j'ai trouvé une image où on voit à la fois la tache de diffraction centrale et les branches.
Les branches sont dans le prolongement des "plats".

[seba]

Et à l'inverse de ce que j'ai écrit, d'après cette figure les branches sont dans le prolongement des plats du diaphragme.
J'essayerai de vérifier ce point.

[seba]

Ce dessin (tiré de l'artice Wikipedia "Diffraction spike") montre ça aussi.

[jaric]

Intéressant. J'étais aussi persuadé que les rayons étaient générés par les angles des polyèdres et non par leurs côtés.

Et si la simulation ne prend pas en compte le chevauchement de deux lames de diaphragme, on peut dire que l'épaisseur n'intervient pas.
Pas pour les étoiles en tous cas. Comment on peut corréler ceci avec la diffraction est un autre problème...

[balfly]

Bonsoir Seba

Nous sommes d'accords maintenant sur le fait que les branches dues à la diffraction par un diaphragme plan sont perpendiculaires aux côtés.
J'ai fait un test avec un objectif qui a un diaphragme à 6 lamelles (Micro-Nikkor 55mm) et je l'ai vérifié. J'ai été un peu plus loin en regardant le rôle de l'ouverture de diaphragme et je me suis aperçu que les lames sont incurvées mais que ceci a un effet à grande ouverture seulement, à petite ouverture (16, 22, 32) les bords sont presque rectilignes (la raison me semble assez facile à comprendre). Je mets à part l'ouverture maxi qui est parfaitement circulaire.
En faisant l'expérience j'ai constaté que les branches d'étoile sont très pointues à f/22 et très divergentes à f/5,6 ce qui correspond bien à l'effet de l'incurvation des lames dont je viens de parler. Conséquence utile : la nuit pour éviter les branches d'étoile il vaut mieux travailler à grande ouverture, voire à l'ouverture maxi.

Je m'attendais à voir un effet apparaître à f/22 qui traduirait le rôle de l'épaisseur des lames, cela n'a pas été le cas. J'en déduis que ce rôle est probablement plus faible que ce que je disais, en tout cas avec mon objectif. Est-ce le cas avec tous les objectifs ?
Je vais essayer de confirmer cela en faisant d'autres expériences.

Tout cela ne nous dit pas trop pourquoi certains objectifs semblent avoir moins de diffraction que d'autres (point de départ de ce fil).

Cordialement

[titisteph]

J'ai à nouveau regardé les livres de Nuridsani et Pérennou, et je pense avoir trouvé la solution.
En vérité, les images sont fermées un diaphragme de plus que les miennes aux forts rapports. Typiquement, à G=X4, ils sont à 11, alors que je reste à 8.
Du coup, rendu plus mou, mais je pense que c'est compensé à la photogravure, grâce aux scanners à tambour des années 90, qui magnifiaient le piqué de façon étonnante, sans faire tant ressortir le grain du film.
De plus, les images à fort rapport sont très souvent publiées en demi-page ou pleine page maxi.

Et je suis tombé sur un test du Photar 25 mm (http://coinimaging.com/phot25.html), C'est une des meilleures optiques dans le genre, mais mes Zuiko ne sont pas loin derrière, et concernant la diffraction, elle s'effondre de la même façon, pas de miracle! Son meilleur diaph est F3,5, alors à 11, la qualité n'a plus rien à voir.

[seba]

J'ai à nouveau regardé les livres de Nuridsani et Pérennou, et je pense avoir trouvé la solution.
En vérité, les images sont fermées un diaphragme de plus que les miennes aux forts rapports. Typiquement, à G=X4, ils sont à 11, alors que je reste à 8.
Du coup, rendu plus mou, mais je pense que c'est compensé à la photogravure, grâce aux scanners à tambour des années 90, qui magnifiaient le piqué de façon étonnante, sans faire tant ressortir le grain du film.
De plus, les images à fort rapport sont très souvent publiées en demi-page ou pleine page maxi.

Mais c'est quel bouquin ?
Le premier date de 1975.

[titisteph]

Microcosmos, et aussi un livre sur les fleurs (la métamorphose des fleurs).
Mais c'est dans plusieurs revues qu'ils donnent le diaph et le RR de leurs photos. Je n'ai plus ces revues, mais je me souviens bien de quelques exemples qui m'avaient marqué.

Celui de 1975, je l'ai lu (à la bibliothèque), et il m'avait marqué par son caractère innovant compte tenu de l'année où il a été publié.

[seba]

Celui de 1975, je l'ai lu (à la bibliothèque), et il m'avait marqué par son caractère innovant compte tenu de l'année où il a été publié.

C'est celui-là que j'ai.

[seba]

Une image du soleil et le diaphragme correspondant (dans le même sens que l'objet).

[balfly]

Bonsoir titisteph
L'affirmation que vous aviez présentée au début de ce fil m'avait étonné et j'avais cherché des explications possibles. On revient à une situation plus claire, la diffraction a des lois incontournables, même pour les meilleurs objectifs, mais comme son effet est surtout de réduire le contraste local il est possible de faire des traitements qui réduisent localement son effet. Il me semble qu'à l'époque en impression on utilisait des masques (photographiques) flous.

Bonsoir Seba
J'ai continué à faire des tests, ayant trouvé comment réaliser des diaphragme de forme voulue avec une précision suffisante malgré la petite taille. J'ai cherché l'effet d'une modification de l'épaisseur des lames et je n'ai pas trouvé un effet notable dans ces conditions. En fait l'effet existe mais pas à cette échelle, il faudrait un diaphragme de diamètre nettement inférieur au mm, on en est loin. Donc exit cette hypothèse.

En utilisant le site de test d'objectifs LensTip, comme le suggérait jmd2 le 24 mars, j'ai fait des comparaisons qui peuvent servir à la discussion relative à la diffraction. Il faut que je dise que ce site utilise pour ses mesures de résolution la FTM au contraste C = 0,5 ce qui est considéré comme une bonne référence actuellement, elle correspond à un critère de qualité visuelle adapté aux photos usuelles (d'après ce que j'ai cru comprendre). Pour les photos plus techniques, type reproduction de documents, la résolution est essentielle et un critère basé sur un contraste de l'ordre de C = 0,1 semble plus adapté, quitte à augmenter le contraste par un traitement adapté, j'y reviendrai.

Dans la gamme des objectifs Nikon, j'ai regardé la résolution en pl/mm (paires de lignes par mm) à f/22, en principe la diffraction doit être nettement prédominante :
24 mm f/2,8 : 26 pl/mm (à C = 0,5 je le rappelle)
50 mm f/1,8 : 25 pl/mm
micro 60 mm f/2,8 : 29 pl/mm
micro 105 mm f/2,8 : 27 pl/mm
200 mm f/2 : 24 pl/mm
300 mm f/4 : 25 pl/mm
Et pour changer de format : Olympus 4/3 macro 60 mm f/2,8 : 30 pl/mm
En fait quel que soit le format et la distance focale la résolution est comprise entre 25 et 31 pl/mm à f/22 dans mes relevés.
Or la théorie (cf. Wikipedia FTM, Système limité par la diffraction, mais sur la courbe l'axe horizontal correspond plus généralement à f/fc avec la résolution f en pl/mm et la fréquence limite fc = 1/(n lambda)) prévoit que pour un objectif qui ne serait sensible qu'à la diffraction, à f/22 et C = 0,5 la résolution f correspond d'après la courbe à f/fc = 0,4 donc f vaut 0,4/(n lambda) = 0,4/(22x0,00055) = 33 pl/mm. On voit que les résolutions effectives sont proches de cette valeur pour tous les objectifs à f/22 ce qui confirme que la diffraction joue un rôle essentiel à cette ouverture. Le meilleur objectif du monde ne peut pas avoir mieux que 33 pl/mm à f/22.
On peut expliquer la réduction de celle-ci dans les objectifs réels par le fait que le diaphragme n'est pas circulaire, surtout à f/22 (pas trop difficile à expliquer) ce qui augmente le côté visible de la diffraction, mais je pense surtout que les corrections de l'aberration de sphéricité dont a parlé Seba au début doivent jouer un rôle (mais il faudrait une approche quantitative).
En fait l'écart tend à augmenter au fur et à mesure de l'augmentation du format, ainsi pour un objectif de chambre grand format f/22 est nettement contrôlé par l'aberration de sphéricité, donc la résolution est nettement inférieure à 33 pl/mm à f/22, mais en regard du format ce n'est pas gênant (pour une chambre 20 x 25 cm une résolution de 15 pl/mm correspond à 6000 x 7500 pixels alors qu'en 24x36 ce serait 700x1000).
Au contraire lorsque le format diminue, la résolution à f/22 se rapproche logiquement de 33 pl/mm, je l'ai vérifié sur LensTip avec les objectifs Olympus micro-4/3.

Un argument qui va dans le sens du rôle de l'aberration de sphéricité résiduelle est la comparaison des résolutions à f/16 et f/22, exemples typiques :
- Nikon 50 mm f/1,8 : 32 pl/mm à f/16 et 25 pl/mm à f/22 rapport 32/25 = 1,28
- Nikon micro 60 mm f/2,8 : 34 pl/mm à f/16 et 29 pl/mm à f/22 rapport 34/29 = 1,17
or on s'attendrait dans le cadre pur de la diffraction à ce que ce rapport soit celui des diamètres du diaphragme donc 1,41.
Il est probable que cette aberration résiduelle n'est pas la seule cause d'écart mais je pense que sa contribution est importante.
(Avant d'avoir vu les courbes de Seba je n'aurais jamais cru que ce phénomène puisse intervenir à f/22, pour moi l'aberration sphérique diminuait très vite avec la fermeture du diaphragme, c'est vrai pour une lentille unique mais pas pour un objectif complexe, je le comprends maintenant).

Au sujet maintenant des diaphragmes maxi 16 ou 22.
Sur LensTip j'ai eu la surprise de voir que tous les objectifs Leica (pour M9, 24x36) qu'ils analysent s'arrêtent à f/16.
A contrario la plupart des objectifs Olympus Micro-4/3 vont à f/22, ouverture qui est très destructrice pour ce "petit" format.
Pour Nikon c'est variable, la tendance étant la limite à f/16 pour les objectifs très ouverts et à l'opposé pour les objectifs macro la limite est f/32.
Cela me suggère les éléments suivants.
Pour la photo usuelle la résolution est donnée en FTM pour un contraste C = 0,5 et dans ce cas elle vaut environ 30 pl/mm ce qui correspond à une tache de diffraction de diamètre 33 microns, c'est beaucoup et conduit en 24x36 à une profondeur de champ nulle (calculée en tenant compte de la diffraction) et donc finalement il vaut mieux travailler à f/16 pour avoir à la fois la profondeur de champ maximum et une meilleure résolution. Cela pourrait expliquer pourquoi Leica se limite à f/16, f/22 ne servant à rien en photo usuelle.
Pour la photo technique avec un objectif macro, du type reproduction de document, l'important n'est pas le contraste général (bien évalué avec C = 0,5) mais plutôt l'enregistrement des plus fins détails, bien évalué avec C = 0,1 par exemple (avec C = 0 il n'y aurait plus rien!) et dans ce cas, d'après la courbe, la résolution donnée par la FTM à f/32 vaut : 0,8/(32x0,00055) = 45 pl/mm qui est plutôt bon. Evidemment cela ne représente pas du tout la même chose, le contraste général sera déplorable mais les détails seront lisibles, pour les faire apparaître il faudra travailler la photo. Evidemment si on fait des photos usuelles (non techniques) avec un objectif macro il ne faut pas dépasser f/16. Mais si on photographie un insecte, travailler à f/32 peut être valable en faisant ensuite remonter les détails par renforcement.
Il peut surprendre que, suivant les cas (C = 0,5 et C = 0,1), on donne une taille différente à la tache de diffraction. Cela tient à ce que le terme tache n'est pas trop adapté à la diffraction, il faut plutôt voir la diffraction comme ayant un effet de réduction du contraste local que d'élargissement de l'image d'un petit objet.

Bon, tout ça c'est des théories.

Cordialement

[Otaku]

J'ai cherché l'effet d'une modification de l'épaisseur des lames et je n'ai pas trouvé un effet notable dans ces conditions. En fait l'effet existe mais pas à cette échelle, il faudrait un diaphragme de diamètre nettement inférieur au mm, on en est loin. Donc exit cette hypothèse.
Bon, tout ça c'est des théories.

Il faudrait que l'épaisseur des lames soit plus grande que l'ouverture pour commencer à avoir un effet notable.

[balfly]

Bonsoir Otaku

En fait c'est plus compliqué ( ) parce que la diffraction par l'épaisseur des lames n'est pas dans la même direction que la diffraction due au diaphragme plan.
Celle du diaphragme plan est au voisinage de l'image de la source et décroit vite avec la distance, l'autre risque d'être à son maximum dans une zone où la 1ère a une très faible intensité et donc d'être très visible.

[Otaku]

Bonsoir Otaku

En fait c'est plus compliqué ( ) parce que la diffraction par l'épaisseur des lames n'est pas dans la même direction que la diffraction due au diaphragme plan.
Celle du diaphragme plan est au voisinage de l'image de la source et décroit vite avec la distance, l'autre risque d'être à son maximum dans une zone où la 1ère a une très faible intensité et donc d'être très visible.

Je conçois bien ta première phrase, mais moins la seconde.

Il me semble que la problématique ne se pose que pour des objets de très petite taille et non à l'échelle d'un diaphragme d'objectif.   

[titisteph]

Merci à toi, Balfly, pour tes explications!
Cela met en évidence le fait que tous les objectifs plafonnent à une résolution maxi qui est toujours la même, dès lors que la diffraction devient forte (à partir de 22). C'est fou!

[Otaku]

J'ai l'impression que dans cette discussion, on mélange 2 choses. La diffraction provoquée par l'ouverture du diaphragme et le pouvoir de résolution de l'objectif qui est lié à la conception de celui-ci, aux matériaux utilisés et aux traitements appliqués aux lentilles.

[seba]

J'ai l'impression que dans cette discussion, on mélange 2 choses. La diffraction provoquée par l'ouverture du diaphragme et le pouvoir de résolution de l'objectif qui est lié à la conception de celui-ci, aux matériaux utilisés et aux traitements appliqués aux lentilles.

On suppose qu'à ouverture très réduite la diffraction est largement prépondérante par rapport aux aberrations.

[titisteph]

Oui, c'est ça.

[jaric]

On suppose qu'à ouverture très réduite la diffraction est largement prépondérante par rapport aux aberrations.

Supposition parfaitement justifiée car les défauts de l'objectif varient peu avec l'ouverture (ils auraient même tendance à diminuer lorsqu'on ferme le diaphragme). La chute très visible du piqué aux petites ouvertures est donc logiquement imputée à la diffraction qui masque tout le reste.

[seba]

Supposition parfaitement justifiée car les défauts de l'objectif varient peu avec l'ouverture (ils auraient même tendance à diminuer lorsqu'on ferme le diaphragme). La chute très visible du piqué aux petites ouvertures est donc logiquement imputée à la diffraction qui masque tout le reste.

Attention tout de même certaines aberrations ne dépendent pas de l'ouverture (aberration chromatique latérale et distorsion), certaines varient peu (astigmatisme) et d'après les courbes que j'ai postées il pourrait quand même encore y avoir une influence de l'aberration de sphéricité.

[Otaku]

Je pense qu'il ne faut pas oublier le support final (capteur, film) qui selon les cas peut ou non annihiler toute différence due à l'objectif.